JP3226238B2 - 電界放出型冷陰極およびその製造方法 - Google Patents

電界放出型冷陰極およびその製造方法

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    • H01J1/3042—Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電界放出型冷陰極およ
びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】真空マイクロエレクトロニクスの分野に
おいて近年発達した半導体加工技術を応用して電界放出
型冷陰極の開発が盛んに行なわれている。その代表的な
例として、例えばＣ．Ａ．Ｓｐｉｎｔらにより、Journa
l of Applied Pysics,Vol.47,5248(1976) に公開された
技術が一般に知られている。
【０００３】その電界放出型冷陰極は、図４に示すよう
に、Ｓｉ単結晶基板２０１上にＳｉＯ2 層２０３を例え
ばＣＶＤのような堆積法で形成し、その上にゲート電極
となるＭｏ層２０５および犠牲層となるＡｌ層２０７を
スパッタリング法および斜め蒸着法などにより形成した
後、直径が例えば 1.5μｍ程度の開口２１１をエッチン
グ法などにより刻設し、エミッタ２１３となる材料、例
えばＭｏのような金属を、Ｓｉ単結晶基板２０１全体を
回転させながらそのＳｉ単結晶基板２０１に対する垂直
方向から真空蒸着させることで、前記の開口２１１に円
錐型に金属（Ｍｏ）が堆積してゆきエミッタ２１３が形
成される。またその一方で前記の犠牲層２０７上にも徐
々に金属（Ｍｏ）が堆積するために前記の開口２１１が
エミッタ２１３の形成とともに塞がってゆき、開口２１
１が完全に塞がれてエミッタ２１３の形成が終了する。
その後、堆積した金属（Ｍｏ）膜および犠牲層２０７等
を除去してそのゲート電極層２０５を露出させて、円錐
型のエミッタ２１３を有する電界放出型冷陰極が形成さ
れる。そして図示は省略するがエミッタ２１３に所定の
距離を置きながら対向するようにアノード（図示省略）
が配設されて素子の主要部分が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電界放出型冷陰極の構造およびその製造方法において
は、主に下記のような 2つの問題がある。
【０００５】まず第１の問題として、従来の技術によれ
ばＳｉ単結晶基板２０１全体を回転させながら開口２１
１に円錐型に金属を堆積させているが、このときエミッ
タ２１３の形成の制御は前記の開口２１１が塞がること
を利用して行なっているため、エミッタ２１３の先端部
の形状や、エミッタ２１３の高さなどの寸法などの正確
な制御が極めて困難で、出来上がったエミッタ２１３の
形状や高さなどの特性が大きくばらついてしまい形状再
現性が悪いために製造歩留まりが低い。特に多数の同一
形状の電界放出型冷陰極を同一基板上に列設する場合な
どに製造コストが著しく増加するという問題がある。ま
たそのようにエミッタ２１３の形状や寸法などの特性が
大きくばらつくために電界放出の均一性が低いうえに、
電界放出の際に必要なエミッタ２１３の先端部の鋭さに
欠けるために電界放出効率が低く、消費電力の増大をも
たらすという問題がある。
【０００６】第２の問題として、従来の技術において
は、ＳｉＯ2 層２０３をＣＶＤ法などにより厚く堆積し
て形成しその上にゲート電極層２０５を形成しており、
しかもさらにその上にＭｏのようなエミッタ２１３を形
成する際に用いる金属を一旦堆積した後に除去している
ので、電界放出効率を決定する主要素であるゲート−エ
ミッタ間の距離を正確に制御することが困難なためその
電界放出効率に大きくばらつきが生じて、電界放出型冷
陰極の動作特性にばらつきが生じるという問題がある。
【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
に成されたもので、その目的は、電界放出効率が高くか
つばらつきなく均一で、しかも高歩留まりで製作するこ
とのできる生産性に富んだ電界放出型冷陰極を提供する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の電界放出型冷陰極は、斜面が内に凹である四
角錐状のエミッタを有するエミッタ層と、前記エミッタ
先端部に開口を有する第一絶縁層と、前記エミッタを露
出させる開口を有し、前記エミッタを越える高さを有す
る前記第一絶縁層上の単結晶基板と、前記基板上に設け
られた第二絶縁層と、前記エミッタ上に前記第一絶縁層
を介して形成されたゲート電極層とを具備することを特
徴としている。
【０００９】また、本発明の電界放出型冷陰極の製造方
法は、底部先端が尖鋭な凹部を基板の第1主面側に刻設
する工程と、前記凹部を含む前記基板の第1主面上に、
前記凹部の前記底部先端において前記底部先端に向けて
膜厚が薄くなる第1の絶縁層を形成する工程と、前記凹
部に対応する位置に前記第1主面とは反対側である前記
基板の第2主面側から窓部を穿設し、前記窓部から前記
第1の絶縁層を露出させる露出工程と、前記第1の絶縁層
の前記第1主面側に沿うエミッタを有するエミッタ層を
形成する工程と、前記エミッタ先端部上の前記第1の絶
縁層を除去する工程とを具備することを特徴としてい
る。また、本発明の電界放出型冷陰極の製造方法は、前
記露出工程の後、前記第2主面及び前記窓部側壁に第2の
絶縁層を形成する工程と、少なくとも前記窓部に露出し
た前記第1の絶縁層上にゲート電極材料層を形成する工
程と、前記エミッタ先端部の前記ゲート電極材料層を除
去する工程とを具備することもできる。更に、前記第1
の絶縁層は熱酸化膜であってもよい。
【００１０】なお、前記のエミッタの形状としては、先
端部が尖鋭な錐状であればよく、例えば四角錐や円錐、
あるいは紡錘型などに形成してもよい。そしてこのとき
前記のゲート電極層はエミッタの表面形状にほぼ平行に
沿ってエミッタとの間に距離をおいて対面してエミッタ
の先端部を包囲するように形成することが望ましい。そ
してこのエミッタの先端部を露出させるとともに、その
先端部以外のエミッタの大部分は前記の第１の絶縁層で
被覆してもよく、あるいはエミッタの先端部だけでなく
エミッタほぼ全体を露出させるように形成してもよい。
このような細部の設定は、本発明に係る電界放出型冷陰
極が用いられる素子に要求される特性に適合するように
適宜ゲート電極とエミッタの先端部との間の距離やエミ
ッタの形状や寸法などの諸条件を勘案して設定すればよ
い。
【００１１】また、前記の第１の絶縁層は、例えばシリ
コン単結晶基板の表面を熱酸化して形成してもよく、あ
るいはその他の方法により形成してもよい。特に熱酸化
法で第１の絶縁層を形成すれば、その第１の絶縁層の凹
部の底部先端は好適な尖鋭形状になるので、それにより
得られるエミッタの先端部も好適な尖鋭形状となり、電
界集中効果を飛躍的に高くすることができるので好まし
い。また熱酸化法によれば一般的な半導体製造工程等と
のプロセス整合性や工程の簡易化を図ることもできるの
で好ましい。
【００１２】また、本発明に係る電界放出型冷陰極を素
子として用いる際にはアノードと組み合わせて用いられ
るが、このときアノードは前記の凹部でエミッタの先端
部と対面するように設置すればよい。このときアノード
とエミッタの先端部との距離やアノードの形状等は、要
求される素子の特性に適合するように一般のアノードと
同様な設定方法により適宜に設定すればよい。
【００１３】
【作用】本発明によれば、エミッタの形成を従来の回転
堆積法とは異なり異方性エッチングなどのフォトリソグ
ラフィ工程で形成した凹部および窓部の正確な形状に沿
って形成された第１の絶縁層を原型として用いて、これ
にエミッタ層の材料を充填することにより形成すること
ができるので、エミッタを正確な形状および寸法に形成
することができる。また、第１の絶縁層を熱酸化法で形
成することにより第１の絶縁層の錐状部分の先端は極め
て好適な尖鋭形状になるので、それにより得られるエミ
ッタの先端部も極めて好適な尖鋭形状となり、電界集中
効果を飛躍的に高くすることができる。また熱酸化法は
一般的な半導体製造工程等とのプロセス整合性や工程の
簡易化を図ることもできる。その結果、電界放出効率が
高くかつその特性がばらつきの極めて少ない均一な特性
であり、しかも高歩留まりで製作することができる生産
性に富んだ電界放出型冷陰極を実現することができる。
【００１４】
【実施例】以下、本発明に係る電界放出型冷陰極および
その製造方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。図１および図２は、本発明の電界放出型冷陰極の主
要部の構造およびその製造方法を示す図である。また図
３はその構造を示す平面図である。本発明の電界放出型
冷陰極の主要部は以下のように形成されている。
【００１５】シリコン（Ｓｉ）単結晶基板１の第１主面
３側に底部が錐状に尖鋭に窪んだ形状の凹部５を刻設す
る。このような凹部５を刻設する好適な方法としては例
えば次に示すような異方性エッチングを用いる方法があ
る。まず、図１（ａ）に示すように、ｐ型で所定の結晶
面方位のシリコン単結晶基板１の第１主面３側に厚さ
０．１μｍのＳｉＯ2 熱酸化層７をドライ酸化法により
形成しさらにレジスト９をスピンコート法により塗布す
る。
【００１６】続いて図１（ｂ）に示すように、例えばス
テッパを用いてレジストに 1μｍ角の正方形の開口パタ
ーンを露光しこれを現像して 1μｍ角の正方形の開口の
レジストパターンを形成する。そしてＮＨ4 Ｆ・ＨＦ混
合溶液をエッチャントとして用いてＳｉＯ2 熱酸化層７
をエッチングして開口１１を穿設する。そしてレジスト
９を剥離する。
【００１７】続いてＳｉＯ2 熱酸化層７をマスクとして
用いるとともに30ｗｔ％のＫＯＨ水溶液をエッチャント
として用いて異方性エッチングを行ない、図１（ｃ）に
示すような底部が錐状に尖鋭に窪んだいわゆる逆ピラミ
ッド型の形状で深さが0.71μｍの凹部５をシリコン単結
晶基板の第１主面３側から刻設する。
【００１８】そしてＮＨ4 Ｆ・ＨＦ混合溶液を用いて前
記のＳｉＯ2 熱酸化層７を除去した後、図１（ｄ）に示
すように凹部５を含む基板１の第１主面３に第１の絶縁
層１３を形成する。この第１の絶縁層１３は、本実施例
では基板１の第１主面３表層をウエット酸化法により酸
化することで、厚さ 0.3μｍのＳｉＯ2 熱酸化膜として
形成した。このように第１の絶縁層１３を熱酸化法で形
成することにより、第１の絶縁層１３の凹部５先端部は
極めて好適な尖鋭形状になるので、それにより後工程で
得られるエミッタ（後述）の先端部も極めて好適な尖鋭
形状となり、電界集中効果を極めて高くすることができ
るので好ましい。また熱酸化法によれば一般的な半導体
製造工程等とのプロセス整合性や工程の簡易化を図るこ
ともできるので好ましい。
【００１９】続いて、図１（ｅ）に示すように、基板１
の凹部５に対応する位置に第１主面３側とは反対の第２
主面１５側から窓部１７を穿設し、この窓部１７から第
１の絶縁層１３の第２主面１５側の錐状部分１９を露出
させる。この窓部１７は、例えば基板１の第２主面１５
側にレジストを塗布して前記の凹部５に対応する位置に
窓部１７のパターンを形成し、このレジストパターンを
用いて基板１をリアクティブイオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）により第２主面１５側からエッチングすることによ
り形成する。このエッチングは窓部１７から第１の絶縁
層１３の第２主面１５側の錐状部分１９が露出するまで
行なう。
【００２０】続いて前記のレジストを剥離した後、図２
（ｆ）に示すように、基板１の第２主面１５側の表面お
よび窓部１７の側壁２１に熱酸化を施して層厚約 0.2μ
ｍのＳｉＯ2 熱酸化層として第２の絶縁層２３を形成す
る。そして第１の絶縁層１３の第１主面３側に、第１の
絶縁層１３の第１主面３側の形状に沿って先端部が錐状
に尖鋭なエミッタ２５を有するエミッタ層２７を形成す
る。本実施例ではこのエミッタ層２７は、タングステン
（Ｗ）をスパッタ法により厚さ 2μｍとなるように成膜
して形成した。このエミッタ層２７の材料としては、こ
の他にも例えばモリブデン（Ｍｏ）のように、冷陰極と
して十分に仕事関数の低い材料を好適に用いることがで
きる。
【００２１】続いて、図２（ｇ）に示すように、第２主
面側１５側の第２の絶縁層２３を被覆するとともに窓部
１７から露出する第１の絶縁層１３の錐状部分１９の第
２主面１５側を被覆するゲート電極材料層２９を形成す
る。このゲート電極材料層２９としては、例えばＷ（タ
ングステン）のような金属材料などが好適である。本実
施例ではこのゲート電極材料層２９としてタングステン
を用いてスパッタ法により 0.9μｍの厚さに成膜して形
成した。
【００２２】続いて、図２（ｈ）に示すように、ゲート
電極材料層２９の表面にフォトレジスト３１を塗布し、
このフォトレジスト３１を、第１の絶縁層１３の錐状部
分１９の少なくとも先端部がゲート電極材料層２９を介
して露出するようにパターニングする。本実施例では前
記の錐状部分１９が先端から約 0.7μｍほど露出するよ
うにパターニングした。
【００２３】そして図２（ｉ）にその断面図を、また図
３にその平面図を示すように、エミッタ２５の少なくと
も先端部に対応する部分のゲート電極材料層２９ならび
に第１の絶縁層１３を除去して開口３３を形成すること
で、エミッタ２５の先端部を含む表面を非接触に包囲す
るとともにそのエミッタ２５の少なくとも先端部が開口
３３から露出するゲート電極層３５をゲート電極材料層
２９から形成する。
【００２４】本実施例においては、まずエミッタ２５の
先端部に対応する部分のゲート電極材料層２９をＲＩＥ
により除去して開口３３を穿設した後、このゲート電極
材料層２９の開口３３から露出した第１の絶縁層１３を
さらにフォトレジスト（図示省略）およびＮＨ4 Ｆ・Ｈ
Ｆ混合溶液からなるエッチャントを用いてフォトリソグ
ラフィ法により選択的にエッチングすることで、前記の
ようなゲート電極層３５を形成した。
【００２５】そしてエミッタ２５の先端部に対向するよ
うにアノード（図示省略）が配置されて、本発明に係る
電界放出型冷陰極を用いた素子の主要部が形成される。
【００２６】このように主要部が形成された本発明に係
る電界放出型冷陰極は、異方性エッチングなどのフォト
リソグラフィ工程で形成した凹部５および窓部１７の正
確な形状に沿って形成された第１の絶縁層１３を原型と
して用いて、これにエミッタ層２７の材料を充填するこ
とによりエミッタ２５を形成することができるので、従
来の回転堆積法によるエミッタとは異なり正確な形状お
よび寸法にエミッタを形成することができる。また、第
１の絶縁層１３を熱酸化法で形成することにより第１の
絶縁層１３の錐状部分１９の先端が極めて尖鋭な形状に
なるので、それに沿って形成されるエミッタ２５の先端
部も極めて好適に尖鋭な形状となり電界集中効果を飛躍
的に高くすることができる。また熱酸化法は一般的な半
導体製造工程等とのプロセス整合性が良く工程の簡易化
を図ることもできる。その結果電界放出効率が高くかつ
その特性がばらつきの極めて少ない均一な特性であり、
しかも高歩留まりで製作することができる生産性に富ん
だ電界放出型冷陰極を実現することができる。
【００２７】なお、上記実施例においてはエミッタ層２
７がカソード電極およびその配線をも兼ねる構成として
いるが、エミッタ層２７に用いる材料などにより場合に
よってはさらにエミッタ層２７とは別体の導電層等を形
成してもよい。
【００２８】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、本発明の電界放出型冷陰極の各部位の形成材料など
の変更が種々可能であることは言うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】以上詳細な説明で明示したように、本発
明によれば、電界放出効率が高くかつその特性がばらつ
きの極めて少ない均一な特性であり、しかも高歩留まり
で製作することができ生産性の優れた電界放出型冷陰極
を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電界放出型冷陰極の第２の絶縁層
の形成までの工程を示す図。
【図２】本発明に係る電界放出型冷陰極の第２の絶縁層
の形成から完成するまでの工程を示す図。
【図３】本発明に係る電界放出型冷陰極の構造を示す
図。
【図４】従来の電界放出型冷陰極の製造方法を示す図。
【符号の説明】
１…シリコン（Ｓｉ）単結晶基板、３…第１主面、５…
凹部、１３…第１の絶縁層、１５…第２主面、１７…窓
部、１９…錐状部分、２１…側壁、２３…第２の絶縁
層、２５…エミッタ、２７…エミッタ層、２９…ゲート
電極材料層、３３…開口、３５…ゲート電極層
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 1/304 H01J 9/02

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】斜面が内に凹である四角錐状のエミッタを
    有するエミッタ層と、 前記エミッタ先端部に開口を有する第一絶縁層と、 前記エミッタを露出させる開口を有し、前記エミッタを
    越える高さを有する前記第一絶縁層上の単結晶基板と、 前記基板上に設けられた第二絶縁層と、 前記エミッタ上に前記第一絶縁層を介して形成されたゲ
    ート電極層とを具備することを特徴とする電界放出型冷
    陰極。
  2. 【請求項２】底部先端が尖鋭な凹部を基板の第1主面側
    に刻設する工程と、 前記凹部を含む前記基板の第1主面上に、前記凹部の前
    記底部先端において前記底部先端に向けて膜厚が薄くな
    る第1の絶縁層を形成する工程と、 前記凹部に対応する位置に前記第1主面とは反対側であ
    る前記基板の第2主面側から窓部を穿設し、前記窓部か
    ら前記第1の絶縁層を露出させる露出工程と、 前記第1の絶縁層の前記第1主面側に沿うエミッタを有す
    るエミッタ層を形成する工程と、 前記エミッタ先端部上の前記第1の絶縁層を除去する工
    程とを具備することを特徴とする電界放出型冷陰極の製
    造方法。
  3. 【請求項３】前記露出工程の後、 前記第2主面及び前記窓部側壁に第2の絶縁層を形成する
    工程と、 少なくとも前記窓部に露出した前記第1の絶縁層上にゲ
    ート電極材料層を形成する工程と、 前記エミッタ先端部の前記ゲート電極材料層を除去する
    工程とを具備することを特徴とする請求項２記載の電界
    放出型冷陰極の製造方法。
  4. 【請求項４】前記第1の絶縁層は熱酸化膜であることを
    特徴する請求項２または請求項3記載の電界放出型冷陰
    極の製造方法。
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